無人機(jī)三維建模在消防應(yīng)急救援中的應(yīng)用探析

崔建華

（消防救援局昆明訓(xùn)練總隊(duì)，云南 昆明 650208）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，消防應(yīng)急救援及火災(zāi)防控所面臨的形勢(shì)更加嚴(yán)峻，特別是在消防部隊(duì)轉(zhuǎn)隸應(yīng)急管理部以后，消防應(yīng)急救援的職責(zé)由處置“單一災(zāi)種”向應(yīng)對(duì)“全災(zāi)種”“大應(yīng)急”轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)型升級(jí)中，消防救援隊(duì)伍必須要摒棄原有觀念和習(xí)慣思維，切實(shí)增強(qiáng)自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力和指揮調(diào)度的分析研判能力，才能保障消防應(yīng)急救援行動(dòng)的高效展開。為解決消防應(yīng)急救援中存在的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)信息缺失，指揮混亂，災(zāi)情處置不力等現(xiàn)實(shí)問題，傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)已不能滿足應(yīng)急救援的實(shí)際需求，迫切需要建立三維數(shù)據(jù)。而基于無人機(jī)的三維建模技術(shù)的逐漸成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)快速三維建模與時(shí)空災(zāi)變信息的采集，為應(yīng)急救援指揮決策、力量部署提供有力的數(shù)據(jù)支撐，推動(dòng)了智能化應(yīng)急救援的發(fā)展。

1 無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)

人們生活在一個(gè)三維空間，所有的物體都可以進(jìn)行空間化、屬性化和地理實(shí)體化。實(shí)景三維建模技術(shù)可以理解為實(shí)景還原技術(shù)，利用二維影像或傾斜影像，自動(dòng)生成高分辨率且?guī)в斜普婕y理貼圖的三維模型，能夠達(dá)到測(cè)繪級(jí)精度并可實(shí)時(shí)測(cè)量，傾斜影像帶有的POS信息能為三維建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)添加地理位置信息。傳統(tǒng)的三維建模設(shè)備昂貴，流程復(fù)雜，智能應(yīng)用少，對(duì)建模人員的要求較高，不能滿足我國各行業(yè)對(duì)實(shí)景三維建設(shè)的迫切需求。與傳統(tǒng)的實(shí)景三維建模相比較，無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)作為測(cè)繪領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，主要原理是通過在飛行平臺(tái)上搭載相機(jī)進(jìn)行攝影，從不同角度采集影像，通過建模軟件合成高精度的三維模型。無人機(jī)實(shí)景三維建模具有快速、高效及成本低的特點(diǎn)，已成為消防應(yīng)急救援中快速獲取災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)信息的重要手段。

1.1 無人機(jī)傾斜攝影

近年來，無人機(jī)傾斜攝影以其精細(xì)真實(shí)、快速高效及成本低的特點(diǎn)，逐步取代了傳統(tǒng)的測(cè)繪方式，通過無人機(jī)傾斜攝影來進(jìn)行三維建模，已經(jīng)成為智慧城市及大數(shù)據(jù)時(shí)代的有力武器。無人機(jī)傾斜攝影是指用無人機(jī)平臺(tái)搭載多角度的傾斜攝影相機(jī)和定位定向系統(tǒng)（POS）來獲取地面影像信息，再通過軟件來進(jìn)行三維建模的技術(shù)。由于傾斜攝影可以從多個(gè)角度對(duì)地形地物進(jìn)行信息采集，在消防應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)，特別是地質(zhì)性災(zāi)害事故，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能夠快速三維建模，生成災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景模型，有助于災(zāi)害救援決策、災(zāi)情評(píng)估、災(zāi)后救援等工作的開展。

1.2 無人機(jī)的選擇

傾斜攝影三維模型質(zhì)量的高低，主要取決于影像質(zhì)量和照片數(shù)量，選擇何種類型的無人機(jī)也在一定程度上影響三維建模的效率。傾斜攝影飛行對(duì)固定翼無人機(jī)的基本要求是低空飛行、低速巡航、轉(zhuǎn)彎半徑小、操作便利、就近起降等。使用油動(dòng)固定翼無人機(jī)進(jìn)行常規(guī)航空攝影，雖然飛行效率和性能都不錯(cuò)，但使用和保養(yǎng)要求高，價(jià)格也居高不下。近兩年固定翼無人機(jī)在單機(jī)價(jià)格、技術(shù)性能等方面都有了較大突破，使傾斜攝影技術(shù)可以在較大面積的三維建模方面發(fā)揮作用，有效地提高了傾斜攝影飛行的作業(yè)效率。但是，從各行業(yè)無人機(jī)三維建模的現(xiàn)狀來看，采用多旋翼無人機(jī)來進(jìn)行傾斜攝影是應(yīng)用最廣泛的一種方式。

1.3 傾斜攝影相機(jī)

無人機(jī)傾斜攝影是無人機(jī)搭載了相機(jī)，采用了一定傾斜角度來拍攝影像。傾斜攝影不限定相機(jī)鏡頭的數(shù)量，關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)是獲取不同角度影像的能力、單架次作業(yè)的廣度和深度。傾斜攝影包括五鏡頭、三鏡頭和雙鏡頭等多鏡頭相機(jī)，還有可調(diào)整相機(jī)拍攝角度的單相機(jī)系統(tǒng)。在性能上主要是從數(shù)據(jù)獲取效率、續(xù)航時(shí)間、POS記錄功能、作業(yè)時(shí)間等方面作出要求。五鏡頭傾斜相機(jī)在數(shù)據(jù)獲取效率等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但是價(jià)格昂貴，并且要求多旋翼無人機(jī)具有超高穩(wěn)定性和續(xù)航能力。針對(duì)小范圍的三維建模，專業(yè)的五鏡頭傾斜相機(jī)因載荷、成本、飛控等問題顯得不合時(shí)宜，采用多旋翼無人機(jī)搭載單鏡頭相機(jī)更具有優(yōu)勢(shì)。

1.4 三維建模

傾斜攝影三維建模數(shù)據(jù)處理量巨大，常規(guī)計(jì)算機(jī)不能滿足三維建模需求，需要配置強(qiáng)大的圖形工作站。在軟件方面，常用的建模軟件主要有ContextCapture、Pix4Dmapper、PhotoScan等。最近，大疆創(chuàng)新公司開發(fā)了應(yīng)用于計(jì)算機(jī)上的大疆智圖，作為專業(yè)的無人機(jī)航測(cè)軟件，大疆智圖能推動(dòng)無人機(jī)三維建模向智能化和大眾化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)獲取、處理、應(yīng)用、任務(wù)執(zhí)行”一體化的航測(cè)作業(yè)方式，提高無人機(jī)三維建模的效率。

2 三維建模在消防應(yīng)急救援中的應(yīng)用

消防救援隊(duì)伍所面臨的各種災(zāi)害事故和應(yīng)急救援任務(wù)日趨繁重，面對(duì)不可預(yù)知、不可控制的各種因素，消防救援人員必須在第一時(shí)間了解災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)信息，制定出科學(xué)高效的應(yīng)急救援方案，為應(yīng)急救援的決策部署提供有力的數(shù)據(jù)支撐，從而讓次生災(zāi)害、二次傷亡降到最低。無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)的出現(xiàn)，能夠快速準(zhǔn)確地獲取豐富的地理空間位置，為災(zāi)害處置和救援提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)以其影像數(shù)據(jù)獲取快速方便、數(shù)據(jù)成果豐富等優(yōu)勢(shì)，在消防應(yīng)急救援中得以廣泛應(yīng)用。

無人機(jī)三維建模技術(shù)在近年來發(fā)生的多起自然災(zāi)害事故的災(zāi)后救援工作中發(fā)揮了重要作用，為搶險(xiǎn)救援和指揮決策提供有力保障。2014年8月3日，云南魯?shù)榘l(fā)生6.5級(jí)地震，地震共造成617人死亡，112人失蹤，3000余人受傷。災(zāi)情就是命令，抗震救災(zāi)指揮部通過三維實(shí)景圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)震區(qū)各個(gè)方位的觀測(cè)，為制定救援方案以及防止次生災(zāi)害的發(fā)生提供了極大便利。2015年8月12日天津?yàn)I海新區(qū)爆炸震驚全國，在大規(guī)模的危險(xiǎn)化學(xué)品爆炸區(qū)域，無人機(jī)除了充當(dāng)“探路者”進(jìn)行偵察，還對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了傾斜攝影，針對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)快速生成效果逼真的三維模型，為后續(xù)災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)還原以及后續(xù)救援指揮起到了重要的作用。2015年12月深圳泥石流滑坡事件中，國家測(cè)繪地理信息局第一時(shí)間作出了實(shí)景三維立體模型，直觀了解房屋道路受災(zāi)情況，為科學(xué)救援起到重大作用。2018年10月11日發(fā)生在西藏昌都市江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)境內(nèi)的山體滑坡，滑坡體量大，造成金沙江斷流并形成堰塞湖，危及附近的村莊安全，通往災(zāi)區(qū)的必經(jīng)橋梁和部分農(nóng)田被江水淹沒，情況萬分危急，通過對(duì)金沙江堰塞湖進(jìn)行三維建模，對(duì)研判災(zāi)情、成功泄流和搶險(xiǎn)救援起到了重要作用。由此可見，無人機(jī)三維建模在重特大災(zāi)害事故的救援工作中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是巨大的，為領(lǐng)導(dǎo)和專家研判災(zāi)情、制定救援方案提供了科學(xué)的地理信息數(shù)據(jù)支持，極大地促進(jìn)了消防救援隊(duì)伍無人機(jī)三維建模的快速發(fā)展。

3 結(jié)束語

在全國消防救援隊(duì)伍全面推進(jìn)“智慧消防”建設(shè)的背景下，應(yīng)急管理部提出“應(yīng)急管理一張圖”項(xiàng)目建設(shè)，充分運(yùn)用云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、地理信息、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，通過無人機(jī)三維建模技術(shù)，緊貼消防應(yīng)急救援實(shí)戰(zhàn)需求，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)信息的實(shí)時(shí)顯示和作戰(zhàn)力量的精準(zhǔn)部署，深度應(yīng)用數(shù)字化模型，準(zhǔn)確研判并科學(xué)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情，確?？茖W(xué)救援、安全救援、快速救援，提升消防救援隊(duì)伍對(duì)突發(fā)事故的快速反應(yīng)和綜合協(xié)調(diào)能力，更好地為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展保駕護(hù)航。